傳感器的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代

發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全三大體系對(duì)中國(guó)制造的國(guó)際地位和轉(zhuǎn)型升級(jí)意義重大，未來(lái)我們工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要建立兩個(gè)關(guān)聯(lián)工廠，不僅僅是物理的工廠，更是智能的工廠。從中國(guó)制造業(yè)來(lái)看，中國(guó)有超過(guò)220個(gè)工業(yè)品產(chǎn)量是世界第一，我們應(yīng)該是不折不扣的全球第一制造大國(guó)，從趨勢(shì)上來(lái)看，未來(lái)十年互聯(lián)網(wǎng)是由消費(fèi)領(lǐng)域向制造領(lǐng)域推進(jìn)。在這個(gè)趨勢(shì)過(guò)程中，人、網(wǎng)、物都會(huì)發(fā)生量級(jí)變化。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

通過(guò)工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實(shí)現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過(guò)程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達(dá)到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動(dòng)型的新工業(yè)生態(tài)體系。

以機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計(jì)算處理和高級(jí)建模分析，實(shí)現(xiàn)智能控制、運(yùn)營(yíng)優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最早概念來(lái)自于美國(guó)，是GE公司率先提出來(lái)的。我們知道，傳統(tǒng)的制造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢修、追溯，大部分都是通過(guò)人工來(lái)操作，嚴(yán)重依賴?yán)瞎と说慕?jīng)驗(yàn)判斷，而且傳承周期很長(zhǎng)。

那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，就是通過(guò)萬(wàn)物互聯(lián)的方法，將生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品、服務(wù)，通過(guò)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)來(lái)分析，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化解決方案，這大大增加了制造業(yè)的效率，堪稱第四次工業(yè)革命。因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0有很多的共同之處。只不過(guò)，德國(guó)的工業(yè)4.0的提法少了云計(jì)算和大數(shù)據(jù)融合，更多的是制造業(yè)的智能化。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)化國(guó)家在過(guò)去幾十年強(qiáng)大的技術(shù)積累，以及和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合以后產(chǎn)生的新戰(zhàn)略，新的技術(shù)布局以及對(duì)未來(lái)的一種新的愿景。如果我們單從互聯(lián)網(wǎng)角度去解讀這些愿景和戰(zhàn)略，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實(shí)上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參考架構(gòu)

那么目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)走到哪一步了呢？很可惜，目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)的最高階段，但目前也僅走到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)階段。也就是未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。感知是物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，要確保物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開(kāi)眾多感知技術(shù)的加持，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一便是傳感器。 

傳感器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心，是自動(dòng)化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，將給傳感器企業(yè)帶來(lái)巨大的機(jī)會(huì)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為傳感器企業(yè)帶來(lái)巨大市場(chǎng)

參照工業(yè)2.0、3.0、4.0，人工智能1.0、2.0等階段劃分，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可分成三個(gè)階段：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0，通過(guò)建設(shè)以IP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接體系，實(shí)現(xiàn)工廠IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)的連接，工廠外部企業(yè)與上下游、智能產(chǎn)品、用戶的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、原材料、產(chǎn)業(yè)鏈等詳細(xì)數(shù)據(jù)的上傳和匯聚，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和工業(yè)APP打下基礎(chǔ);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0，通過(guò)人工智能、邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的智能無(wú)縫連接。 

我國(guó)大部分的工業(yè)企業(yè)尚處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0或向其邁進(jìn)的過(guò)程中，少部分領(lǐng)先性企業(yè)在探索實(shí)踐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，個(gè)別企業(yè)開(kāi)始布局工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0的研究。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的不同階段對(duì)傳感器要求差別亦不同，傳感器及傳感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)企業(yè)同樣需要準(zhǔn)確定位，不僅要看到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展給傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的藍(lán)海，更要挖掘有效市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)值和利潤(rùn)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一方面給傳感器企業(yè)帶來(lái)了機(jī)會(huì)，另一方面也對(duì)傳感器提出了新的要求，主要體現(xiàn)在對(duì)靈敏度、穩(wěn)定性、魯棒性等方面的要求會(huì)更高。同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及使得傳感器無(wú)處不在，大量使用對(duì)傳感器提出輕量化、低功耗、低成本的要求，同時(shí)也更多要求網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化。 

此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用涉及的面更廣，對(duì)傳感器的數(shù)量及產(chǎn)業(yè)化的需求更大，國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)目前還存在企業(yè)規(guī)模小、創(chuàng)新能力不足的問(wèn)題，完全滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求還有不少差距。近期爆發(fā)的中美貿(mào)易摩擦中對(duì)核心芯片的禁運(yùn)，也給我們傳感器及應(yīng)用行業(yè)敲響了警鐘。傳感器和集成電路芯片一樣，都屬于高技術(shù)含量的關(guān)鍵零部件，如果國(guó)內(nèi)企業(yè)不加大自主創(chuàng)新力度，未來(lái)也會(huì)面臨類似的局面。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信及微機(jī)電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN, wireless sensor networks)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與當(dāng)今主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14，它是一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，將對(duì)人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生重大影響的一項(xiàng)重要技術(shù)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WSNS，wireless sensor networks system)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)圖

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一；改變世界的10大新技術(shù)之一；全球未來(lái)的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快也將進(jìn)入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域。伴隨未來(lái)大多數(shù)工業(yè)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品對(duì)無(wú)線傳輸功能的集成，從而完成從有線到無(wú)線的過(guò)渡。

典型的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)（可以使用電池長(zhǎng)期供電、太陽(yáng)能電池供電，或風(fēng)能、機(jī)械振動(dòng)發(fā)電等），網(wǎng)絡(luò)路由器（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由功能）和無(wú)線網(wǎng)關(guān)（將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者傳輸通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)）。

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也有不少研究機(jī)構(gòu)和大型公司在進(jìn)行相關(guān)研究。

傳感器網(wǎng)路在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在人們普遍理解為使用傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)到機(jī)(M2M)通信的工業(yè)環(huán)境自動(dòng)化。

市場(chǎng)分析公司Nano Markets在2014年11月發(fā)表的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用傳感器市場(chǎng)”報(bào)告就將工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和公共交通等作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，并預(yù)測(cè)到2019年之前這一領(lǐng)域每年消費(fèi)的傳感器將超過(guò)200億美元。今后的技術(shù)人員和維護(hù)人員將越來(lái)越多地使用強(qiáng)大的平板電腦收集和處理來(lái)自工業(yè)機(jī)械中集成的傳感器發(fā)出的信息。

1、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)

工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)范圍已經(jīng)涉及到整個(gè)生態(tài)環(huán)境的各個(gè)方面，包括日常環(huán)境監(jiān)測(cè)，如大氣，水，電磁輻射和放射性監(jiān)測(cè)等；同時(shí)還存在一些特殊的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)，如沙漠、高山和存在放射源等區(qū)域的監(jiān)測(cè)。這些環(huán)境對(duì)傳感器產(chǎn)品的靈活性、可靠性和安全性提出了高要求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以突破傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，在滿足了靈活性、可靠性和安全性的同時(shí)，為工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)降低了成本，同時(shí)也大幅度縮減了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的繁瑣流程，為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利。隨著人們對(duì)于工業(yè)環(huán)境的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的需求將逐步擴(kuò)大。

2、智能電網(wǎng)

當(dāng)前，全球能源、環(huán)境、氣候變化等問(wèn)題日益突出，世界各國(guó)紛紛把開(kāi)發(fā)利用清潔能源作為能源發(fā)展與變革的重點(diǎn)。智能電網(wǎng)如今已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，也是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能電網(wǎng)通過(guò)先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、先進(jìn)的控制方法和決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

為了使智能電網(wǎng)的持續(xù)運(yùn)營(yíng)，設(shè)備安全保障已經(jīng)成為了關(guān)鍵問(wèn)題。由于電網(wǎng)設(shè)備長(zhǎng)期處于高電壓、大電流等工作狀態(tài)，同時(shí)面臨雷雨等極端自然環(huán)境的威脅，對(duì)設(shè)備實(shí)施智能監(jiān)控顯得尤為重要。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可對(duì)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，了解設(shè)備的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，?duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控也提高了維護(hù)效率。隨著智能電網(wǎng)計(jì)劃的推進(jìn)，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的智能化監(jiān)控需求形成了巨大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場(chǎng)。

3、數(shù)字化油田

經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)需求的不斷擴(kuò)大加速著油井?dāng)?shù)量的迅速上升，油田開(kāi)發(fā)整體范圍也呈擴(kuò)大趨勢(shì)。因此，油田生產(chǎn)、管理與經(jīng)營(yíng)的智能化成為發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字化油田應(yīng)運(yùn)而生。

在油田的數(shù)字化過(guò)程中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以對(duì)油井環(huán)境和井口設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，將工作現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備狀態(tài)，環(huán)境參數(shù)等重要信息傳到控制中心，在必要時(shí)刻即刻發(fā)出警報(bào)并安排調(diào)度。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在油田的深入推廣和廣泛示范，數(shù)字化油田的數(shù)量也將逐漸增加，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

4、智能工業(yè)

我國(guó)工業(yè)制造業(yè)正面臨新一輪產(chǎn)業(yè)革命的契機(jī)，制造企業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)的需求十分迫切，信息技術(shù)企業(yè)也在積極借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以其為突破口迅速向工業(yè)領(lǐng)域滲透。以智能化為核心的工業(yè)4.0的提出，契合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域融合的趨勢(shì)，未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?。智能制造中的核心之一是工業(yè)過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)。

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到智能監(jiān)測(cè)中，將有助于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程工藝的優(yōu)化，同時(shí)可以提高生產(chǎn)線過(guò)程檢測(cè)、實(shí)時(shí)參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測(cè)的能力和水平，使得生產(chǎn)過(guò)程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護(hù)水平不斷提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和工業(yè)4.0的進(jìn)一步推進(jìn)，以智能化為核心的工業(yè)過(guò)程控制將得到快速發(fā)展，進(jìn)而拉動(dòng)對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案的市場(chǎng)需求。

工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品飛速增長(zhǎng)的主要原因是隨著整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境的成熟，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也由政府主導(dǎo)開(kāi)始慢慢發(fā)展。中國(guó)工業(yè)感測(cè)終端的數(shù)量保持著飛速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2014年中國(guó)工業(yè)感測(cè)終端數(shù)量為7億左右，預(yù)計(jì)伴隨著中國(guó)制造2025的推行，到2020年，中國(guó)工業(yè)感測(cè)終端將突破20億個(gè)。

同時(shí)，無(wú)線通信、功耗、極端微型化（驅(qū)動(dòng)力之一是MEMS傳感器）以及嵌入式計(jì)算方面的發(fā)展，也促成了面向苛刻工業(yè)環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起。工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品會(huì)隨著“中國(guó)制造2025”的提出所帶動(dòng)的企業(yè)生產(chǎn)線改造和IT設(shè)備升級(jí)改造一直高速增長(zhǎng)到2019年，并一直保持著上升趨勢(shì)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域傳感器不僅是硬件，更是數(shù)據(jù)的創(chuàng)造者，同時(shí)也是服務(wù)的創(chuàng)造者。